什么是透明陶瓷?
陶瓷作为理想的绝缘材料,在电力和电子行业有广泛应用,与玻璃相比较,陶瓷的强度高,耐火性好,能抵抗化学腐蚀,能经受放射性物质的强烈辐照。但传统的陶瓷不透明,以致许多场合,特别是在照明电器上无法应用。因此,在20世纪50年代,如何使陶瓷透明化成了一个及需攻克的难关。
美国通用电器公司的陶瓷专家发现,陶瓷不透明的主要原因是陶瓷中存在许多微小气孔,当一束光线照射到陶瓷表面时,微气孔由于对光线具有很强的散射能力,把大部分光线散射到四面八方,最后被陶瓷所吸收。为了赶走横在光线前进道路上的“拦路虎”——微气孔,专家们采取了三项技术措施:首先,烧制陶瓷所用的原料要有很高的纯度和细度,而且颗粒要均匀;其次,加入少量的氧化镁作添加剂,来减慢陶瓷结晶过程中晶粒长大的速度,以便通过晶粒边界的缓慢移动,把微气孔赶出;第三,在加热炉中通入氢气,因为氢气分子较小,易于将坯体中的空气置换出来,而在烧治过程中又容易通过晶格扩散到晶界,最后被彻底排除。通过精心的实验,科布尔及其助手们于1957年制成了世界上第一块完全透明的氧化铝陶瓷,宣告了透明陶瓷的诞生自从第一块透明氧化铝陶瓷诞生以来,透明陶瓷家族真是人丁兴旺,成员已发展到几十位。氧化物陶瓷有氧化铝、氧化镁、氧化钇、氧化钍等透明陶瓷;复合氧化物陶瓷类有铝镁尖晶石、锆钛酸铅镧透明铁电陶瓷;非氧化物陶瓷类有氟化镁、萤石、氟化镧等透明陶瓷。这些透明陶瓷可用于高压钠灯的发光管、光学滤光片和光学检波器基料、高温炉窗口、原子能反应堆的中心减速剂和反射剂及激光物质等。除了上述能透过可见光的透明陶瓷外,还有能透过红外线的陶瓷,如硫化锌、硒化锌、碲化镉、砷化镓等透红外陶瓷,可用于火箭导弹及宇航器的红外窗口和整流罩、红外输出器钟罩、红外发生器管壳、红外透镜及激光工作物质等。
透明陶瓷
一般陶瓷是不透明的,但是光学陶瓷像玻璃一样透明,故称透明陶瓷。一般陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质和气孔,前者能吸收光,后者令光产生散射,所以就不透明了。因此如果选用高纯原料,并通过工艺手段排除气孔就可能获得透明陶瓷。因此如果选用高纯原料,并通过工艺手段排除气孔就可能获得透明陶瓷。早期就是采用这样的办法得到透明的氧化铝陶瓷,后来陆续研究出如烧结白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇-二氧化锆等多种氧化物系列透明陶瓷。近期又研制出非氧化物透明陶瓷,如砷化镓、硫化锌、硒化锌、氟化镁、氟化钙等。这些透明陶瓷不仅有优异的光学性能,而且耐高温,一般它们的熔点都在2000℃以上。如氧化钍-氧化钇透明陶瓷的熔点高达3100℃,比普通硼酸盐玻璃高1500℃。透明陶瓷的重要用途是制造高压钠灯,它的发光效率比高压汞灯提高一倍,使用寿命达2万小时,是使用寿命最长的高效电光源。高压钠灯的工作稳定高达1200℃,压力大、腐蚀性强,选用氧化铝透明陶瓷为材料成功地制造出高压钠灯。透明陶瓷的透明度、强度、硬度都高于普通玻璃,它们耐磨损、耐划伤,用透明陶瓷可以制造防弹汽车的窗、坦克的观察窗、轰炸机的轰炸瞄准器和高级防护眼镜等。
民用
最早是使用在灯具上。高压钠灯是一种发光效率很高的电光源,但在钠蒸气放电时产生1000℃以上的高温,具有很强的腐蚀性,玻璃灯管根本没法耐受,所以高压钠灯一直没能问世,直到有了透明陶瓷,上海狼影高庄钠灯才得到实际应用,除高压钠灯外,透明陶瓷还使用于其它新型灯具,如铯灯、铷灯、钾灯等。
电焊工人操作时,要不断地把面罩举起拿下,十分不方便。有一种锆钛酸铅镧透明铁电陶瓷,能透光,耐高温,用它造成具有夹层的护目镜,能根据光线的亮暗自动进行调节,有了这种护目镜,电焊工人工作起来就十分方便。这种护目镜,正在核试验工作人员和飞行员中得到广泛的作用。
军用
响尾蛇导弹头部的红外探测器,外面有一个整流罩,它不仅要有足够的强度,还要能透过红外线,以确保导弹能跟踪敌机辐射的红外线。担当此任的材料只有透红外陶瓷,响尾蛇导弹的整流罩就是用透红外陶瓷做的。
美国空军研究实验室与美国Surmet公司一起对以特殊透明陶瓷为基础的新型防弹护板进行了试验,最近几年Surmet公司一直坚持研究这种透明陶瓷。
最早是使用在灯具上。高压钠灯是一种发光效率很高的电光源,但在钠蒸气放电时产生1000℃以上的高温,具有很强的腐蚀性,玻璃灯管根本没法耐受,所以高压钠灯一直没能问世,直到有了透明陶瓷,上海狼影高庄钠灯才得到实际应用,除高压钠灯外,透明陶瓷还使用于其它新型灯具,如铯灯、铷灯、钾灯等。
电焊工人操作时,要不断地把面罩举起拿下,十分不方便。有一种锆钛酸铅镧透明铁电陶瓷,能透光,耐高温,用它造成具有夹层的护目镜,能根据光线的亮暗自动进行调节,有了这种护目镜,电焊工人工作起来就十分方便。这种护目镜,正在核试验工作人员和飞行员中得到广泛的作用。 响尾蛇导弹头部的红外探测器,外面有一个整流罩,它不仅要有足够的强度,还要能透过红外线,以确保导弹能跟踪敌机辐射的红外线。担当此任的材料只有透红外陶瓷,响尾蛇导弹的整流罩就是用透红外陶瓷做的。
美国空军研究实验室与美国Surmet公司一起对以特殊透明陶瓷为基础的新型防弹护板进行了试验,最近几年Surmet公司一直坚持研究这种透明陶瓷。 新型材料进入市场的商标为ALON,它是“氮氧化铝”的缩写,ALON是一种多晶体,并且完全是透明的,其晶粒大小为80~250微米。从外表看ALON板就像蓝宝石,ALON的化学公式为Al(64+x)/3O32-xNx,式中的X可以从2到5。
在最近的试验中由几层ALON、玻璃和聚合物组成的双层中空玻璃出色地经受了从7.62毫米口径手枪连续射出的穿甲弹,同时双层中空玻璃的重量比普通防弹玻璃轻一半。
ALON可以在各个领域找到广泛应用,例如利用它可以制成特别耐磨损的超市条码扫描器窗口。但是要大量推扩应用ALON的障碍是其价格比传统防弹玻璃贵3~5倍,此外还需要对建造新型炉子进行大量投资,以便能制取在工业规模中应用的大量材料。但是ALON的低重量与高强度比产品的价格更为重要,它已经显示出其不可替代的优点。